無(wú)功補(bǔ)償裝置在煤礦的應(yīng)用分析

張亞科，高俊英，景俊偉

（1.煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省許平煤業(yè)有限公司，河南 許昌 461000）

煤礦企業(yè)的負(fù)荷以各種形式的電力拖動(dòng)為主，且多為間歇性工作方式，如主井提升設(shè)備、副井提升設(shè)備、排水設(shè)備、壓風(fēng)設(shè)備及大功率采掘設(shè)備等。這類設(shè)備的啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)頻繁，引起了電網(wǎng)的電壓降落和電壓波動(dòng)，給煤礦供電系統(tǒng)造成了很大的沖擊。

特別是近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦企業(yè)不斷引入大型的交-交變頻提升設(shè)備、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能設(shè)備等，獲得了優(yōu)良的調(diào)速特性，節(jié)約了電能，但同時(shí)也引入了高次諧波，造成了電網(wǎng)功率因數(shù)的進(jìn)一步下降，直接威脅到煤礦供電系統(tǒng)的安全。而無(wú)功補(bǔ)償裝置正是解決這個(gè)問(wèn)題的有效手段，它主要有以下幾個(gè)功能：①補(bǔ)償無(wú)功功率，提高供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)；②減小線路損失，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率；③減小供、變電設(shè)備的容量，從而減少投資；④濾除電網(wǎng)的高次諧波，減小設(shè)備的附加損耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命等。

正因?yàn)槿绱?，煤礦企業(yè)普遍采用無(wú)功補(bǔ)償裝置作為提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)、降低諧波干擾的主要措施。但是，目前無(wú)功補(bǔ)償裝置種類繁多，不一而足。如何從眾多的產(chǎn)品中選擇出適合不同規(guī)模煤礦供電的無(wú)功補(bǔ)償裝置值得探討。

1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的分類

無(wú)功補(bǔ)償裝置一般分為靜止型和非靜止型兩大類。在工礦企業(yè)中，靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用比較多，而非靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置（如同步調(diào)相機(jī)等）一般用于樞紐變電站，在此不予論述。

靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置按投切方式分為兩類：延時(shí)投切方式和瞬時(shí)投切方式。

1.1 延時(shí)投切方式

延時(shí)投切方式即所謂的“靜態(tài)”補(bǔ)償方式。在這種投切方式中，通過(guò)設(shè)置一定的延時(shí)，可以防止接觸器頻繁動(dòng)作、觸頭過(guò)熱燒結(jié)、電容器損壞，更重要的是防止供電系統(tǒng)振蕩。

1.2 瞬時(shí)投切方式

瞬時(shí)投切方式即所謂的“動(dòng)態(tài)”補(bǔ)償方式。它能快速響應(yīng)系統(tǒng)無(wú)功的變化，及時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，應(yīng)該說(shuō)是半導(dǎo)體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的結(jié)晶。按照開關(guān)類別，大致又分兩種：一種是有觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，如接觸器分組投切方式、復(fù)合開關(guān)分組投切方式、同步開關(guān)分組投切方式等均屬于此類；另一種是無(wú)觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，如晶閘管投切方式、電壓調(diào)節(jié)型補(bǔ)償方式等均屬于此類。下面筆者結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)歷，就煤礦常用的幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍淺談一下自己的看法。

2 各種無(wú)功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

2.1 FC（固定電容器補(bǔ)償方式）

在以前，煤礦供電曾采用過(guò)固定投切電容器組的方式來(lái)補(bǔ)償供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)。該投切方式通過(guò)人工判斷系統(tǒng)是否需要補(bǔ)償，然后手動(dòng)執(zhí)行開關(guān)（接觸器）投入或切除電容器組。通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該種補(bǔ)償方式落后，不能及時(shí)補(bǔ)償線網(wǎng)的功率因數(shù)，且容易出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致供電系統(tǒng)諧振的發(fā)生。

現(xiàn)在對(duì)煤礦企業(yè)舊供電系統(tǒng)的改造，已經(jīng)不再使用固定投切電容器組的方式了，而是采用自動(dòng)補(bǔ)償方式。例如，《平禹煤電公司三礦35 kV變電站改造工程》關(guān)于6 kV電壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的改造就是由原來(lái)的人工投切補(bǔ)償方式改造為電壓調(diào)節(jié)型無(wú)功補(bǔ)償裝置，該裝置的固定電容器組采用諾基亞公司生產(chǎn)的電容器：PILP6.95 kV，456 kvar，6 組；配套電抗器：XKIB1000/10/6，2 臺(tái)；調(diào)節(jié)變壓器及控制器等采用北京思能達(dá)的產(chǎn)品。該類型無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)在多家煤礦企業(yè)運(yùn)用，效果良好。

2.2 接觸器分組投切方式

接觸器分組投切方式屬于有觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，有如下特點(diǎn)：①該方式屬于機(jī)械開關(guān)投切方式，響應(yīng)時(shí)間慢；②靠接觸器觸點(diǎn)的開閉實(shí)現(xiàn)投切，觸頭容易燒結(jié)損壞；③可根據(jù)負(fù)荷的變化投入或切除部分電容器，有合閘涌流；④結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

以上特點(diǎn)決定了接觸器分組投切方式不適合用于容量大、電壓高的供、配電系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該投切方式用于低壓0.38 kV、0.66 kV供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償中比較占優(yōu)勢(shì)，維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、事故率小，其接線如圖1所示。焦煤集團(tuán)趙固二礦選煤廠0.66 kV配電系統(tǒng)（準(zhǔn)備車間變電所、生產(chǎn)系統(tǒng)變電所及主廠房低壓變電所）的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償就是一例，從2010年5月份投產(chǎn)至今，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

當(dāng)然，接觸器分組投切方式在6 kV、10 kV供電系統(tǒng)也有應(yīng)用，但由于頻繁投切造成觸頭過(guò)熱黏結(jié)、拒動(dòng)的事故多有發(fā)生，實(shí)際應(yīng)用逐漸減少。

2.3 TSC（晶閘管投切方式）

晶閘管投切動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置采用大功率晶閘管組成無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，對(duì)多級(jí)電容器組進(jìn)行快速無(wú)過(guò)渡投切，克服了傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置因采用機(jī)械開關(guān)投切導(dǎo)致投切涌流大，開關(guān)觸點(diǎn)燒損，對(duì)電容器損害大的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了電容器組無(wú)沖擊、無(wú)涌流及無(wú)過(guò)渡過(guò)程投切。該投切方式與接觸器分組投切方式相比，主要區(qū)別在于TSC的執(zhí)行元件由晶閘管取代了接觸器，其典型接線如圖2所示。投切的基本原理是控制器K實(shí)時(shí)跟蹤母線功率因數(shù)的變化，通過(guò)電信號(hào)（電壓、電流）的采集與邏輯處理，發(fā)出控制信號(hào)，確保晶閘管過(guò)零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)投切。

TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置近些年來(lái)發(fā)展很快，廣泛應(yīng)用于低壓供電系統(tǒng)及小容量中壓供電系統(tǒng)中。最近，筆者為義馬一水廠進(jìn)行供電系統(tǒng)改造時(shí)，在6 kV兩分段母線上分別采用了一組該補(bǔ)償裝置（補(bǔ)償容量300 kvar），無(wú)論在產(chǎn)品價(jià)格上還是在應(yīng)用性能上均為甲方所接受。該裝置與接觸器投切方式相比，更具有快速性，并且由于沒有合閘涌流，對(duì)母線上其他設(shè)備的影響也很小，只是價(jià)格上比其稍高。實(shí)際選型設(shè)計(jì)時(shí)，可以從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上綜合考慮確定。

圖1 低壓供電系統(tǒng)中的接觸器分組投切方式接線圖

圖2 TSC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖（I段母線）

2.4 VQC（電壓調(diào)節(jié)型補(bǔ)償方式）

電壓調(diào)節(jié)型補(bǔ)償方式不同于以上3種補(bǔ)償方式（均為分組投切方式），它有如下特點(diǎn)：①電容器組整體投入；②電容器在額定電壓以下工作，大大延長(zhǎng)了使用壽命；③通過(guò)分檔調(diào)節(jié)電容器的端電壓來(lái)調(diào)整補(bǔ)償容量。它解決了分組投切方式帶來(lái)的過(guò)電壓及涌流問(wèn)題?？刂破魍ㄟ^(guò)不斷采集母線電壓、電流等信號(hào)，計(jì)算出母線實(shí)際功率因數(shù)，并與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)有載分接頭的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，其典型接線如圖3所示。

圖3 VQC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖（I段母線）

對(duì)于大容量6 kV、35 kV中壓供電系統(tǒng)，一般采用VQC型，主要原因是電壓調(diào)節(jié)型無(wú)功補(bǔ)償方式與MCR、TCR相比，不采用晶閘管，運(yùn)行可靠、故障率低且價(jià)格適中。平煤香山礦新建6 kV混合提升井變電所及上述提及的平禹三礦35 kV變電站改造即是筆者采用的該類補(bǔ)償方式。

2.5 TCR+FC（晶閘管控制電抗器補(bǔ)償方式）

晶閘管控制電抗器補(bǔ)償方式是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)補(bǔ)償裝置，它主要由兩部分組成：一部分是FC支路（無(wú)功補(bǔ)償部分）；另一部分是TCR支路（閥組控制部分）。FC支路的主要作用是提供容性無(wú)功功率及濾除高次諧波；TCR支路則是通過(guò)控制反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電抗器感性無(wú)功電流的輸出，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制算法，使負(fù)荷感性無(wú)功電流、電抗器感性無(wú)功電流和電容器組的容性無(wú)功電流維持在某種平衡狀態(tài)，從而使礦區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)穩(wěn)定在某一數(shù)值附近（＞0.9）。

由于此類補(bǔ)償裝置價(jià)格較高，在整個(gè)電氣設(shè)備的投資中，占有相當(dāng)大的比例。因此，低壓供電系統(tǒng)一般不采用，小規(guī)模的6kV、10 kV中壓供電系統(tǒng)也很少采用，而大容量的35 kV、110 kV中高壓供電系統(tǒng)應(yīng)用較多。比如，鶴煤集團(tuán)的大胡110kV變電站的6kV配電系統(tǒng)改造時(shí)就采用了株洲變流中心生產(chǎn)的TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，具體接線如圖4所示。其中固定電容器－FC支路安裝容量為4 200 kvar，晶閘管控制電抗器－TCR支路，安裝容量2 400 kvar.

圖4 TCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖

2.6 MCR+FC（磁控制電抗器補(bǔ)償方式）

磁控制電抗器補(bǔ)償裝置也由兩部分組成：一部分是FC支路（無(wú)功補(bǔ)償部分），可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇相應(yīng)的濾波支路；另一部分是MCR支路（磁控電抗器部分）。它的工作原理大致與TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相同，也是通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)，所不同的是，晶閘管處于低壓電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小來(lái)控制電抗器勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而控制電抗器輸出感性無(wú)功電流的大小，其典型接線如圖5所示。從技術(shù)上講，磁控制電抗器補(bǔ)償裝置可用于0.38～110 kV等交流電力系統(tǒng)中，但同樣受投資因素的制約，煤礦企業(yè)主要用于35 kV、110 kV中高壓大型供電系統(tǒng)中。它與TCR+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，有以下優(yōu)勢(shì)：①晶閘管回路電壓低，控制功率相對(duì)小，技術(shù)相對(duì)成熟，可靠性高；②體積小、占地少，所采用的磁控電抗器體積與同電壓級(jí)的變壓器相當(dāng)，投資少；③維護(hù)量小，運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同類中有些產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，使用壽命達(dá)25年。

以上特點(diǎn)決定了MCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置比TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

與VQC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，在投資成本上，MCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置略高；在技術(shù)應(yīng)用上，VQC型屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，MCR+FC型則屬于無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。具體采用哪種補(bǔ)償方式，應(yīng)結(jié)合實(shí)際靈活處理。

圖5 MCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖（I段母線）

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析對(duì)比可知，煤礦供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的選用不僅僅是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，而且還需要把握實(shí)用性的原則。各種無(wú)功補(bǔ)償裝置各有特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合煤礦的生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)條件、負(fù)荷大小及經(jīng)濟(jì)狀況等因素，選擇適合該煤礦供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

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